Быстрый свет

Ничто не может двигаться быстрее.

Но физикам удалось построить приборы, почти вдвое увеличивающие скорость самого света и передающие радиоволны со скоростью, почти впятеро больше обычной световой. И не только безличные точки-тире, но и симфоническую музыку. Это кажется просто невероятным! Однако отчеты, о сверхсветовых опытах опубликованы в серьезных научных журналах, а «сверхсветовая музыка» демонстрировалась на конференциях специалистов-радиофизиков. Более того, обсуждается возможность генерировать обладающие большой разрушительной силой сверхбыстрые импульсы-торпеды. Нет ли тут ошибки, и как быть тогда с теорией относительности – неужели-таки она отжила свой век?

Еще раз о чепухе и «железной» истине

Герой известного рассказа Чехова в своем письме к ученому соседу в качестве самого убедительного, «железного» доказательства использовал утверждение: «Этого не может быть потому, что этого не может быть никогда». Нужно заметить, что определенная логика в этом есть – ведь, например, дважды два никогда не может равняться пяти, а за январем всегда следует февраль и не иначе. Однако таких абсолютных, стопроцентных истин немного. Мы в своей повседневной практике, да и самая строгая наука тоже, всегда имеем дело с приближенной истиной, которая справедлива в круге хорошо изученных явлений, но может стать неверной за его пределами.

Нам важно знать, что есть область, где истина является несомненной, где нет смысла ее оспаривать, и мы без опасения можем основывать на ней наши выводы. Что же касается запредельных «земель», то они, как и всякая плохо изученная местность, требуют осторожности. Там может встретиться такое, чего с общепринятой точки зрения «не может быть никогда». Наверное, Ньютон в жизни бы не поверил в то, что по сравнению с неподвижным размер движущегося будильника уменьшается, а бег его стрелок замедляется. Наука его времени говорила, что такого никогда не может быть, а вот «запредельная» посленьютоновская физика больших скоростей доказала, что дело обстоит именно так.

Может, утверждение физиков о том, что ни одно тело не может двигаться быстрее света, тоже всего лишь приближенная истина? Скорость в 300 тысяч километров в секунду – тройка с пятью нулями – оказывается почему-то максимальной. Почему именно 300, а не 250 или 570 – этого никто не знает. Просто такую величину дает нам опыт, ее же расчет и обоснование – дело будущей теории.

Вполне возможно, что существуют миры, где свет распространяется с иной скоростью, однако в нашем мире его скорость – мировая константа, ни от чего не зависящая и ни при каких условиях не изменяющаяся величина. Это – твердо установленный факт в том смысле, что ни один опыт до сих пор не обнаружил тел, движущихся быстрее. Более того, теория относительности – результат обобщения огромного экспериментального материала – доказывает, что это в принципе невозможно. Ни одно тело нельзя разогнать до скорости, превосходящей световую. Этому мешает зависимость массы тела от его скорости – чем она больше, тем тело массивнее. (Если бы продавцы на рынке умели взвешивать движущиеся огурцы, те всякий раз были бы массивнее неподвижно лежащих на прилавке! Чуть-чуть, но массивнее.) На световом пороге, когда скорость тела почти точно равна световой, его масса бесконечно велика – тело становится неподъемным, и нет силы, которая могла бы вытолкнуть его в сверхсветовую область. «Световой барьер» крепче всякой стальной стенки защищает ее от коллизий нашего досветового мира.

В своих опытах физики разгоняют частички вещества до скоростей, всего лишь на доли процента меньше световой, их масса возрастает в сотни тысяч раз, но во всех случаях эксперимент точно согласуется с формулами теории относительности – никаких отклонений!

Казалось бы, вопрос исчерпан и разговоры о движениях быстрее света – удел писателей-фантастов. И, тем не менее, поскольку выводы теории относительности нельзя считать абсолютной истиной, тем более после сообщений о сверхсветовых радиоволнах и «обгоняющем самого себя» свете, можно думать, что все же существуют какие-то лазейки в сверхсветовой мир. Может, какие-то обходные пути... Или сообщения физиков о «проколе» светового барьера и вправду – просто ошибка?

Недавно я побывал на семинаре по сверхсветовым явлениям. Дискуссия была такой жаркой, что некоторые ее участники громко хлопали дверью:

– Чепуха, путаница! Не имеет смысла тратить время на обсуждение явной бредятины! (Нужно сказать, что физики на своих семинарах не очень стесняются в выражениях.)

Другие участники семинара охрипшими голосами доказывали, что до сих пор мы всегда имели дело с явлениями в центре областей применимости релятивистской и квантовой физики, где все легко и просто объяснялось, и вот теперь мы впервые приблизились к их границам. Тут сами вопросы становятся противоречивыми, а возможное и невозможное тесно переплетаются.

Клубок сомнений и надежд

Хотя по мере приближения к световому порогу масса тела резко возрастает – это твердо установленный факт, – но вот что происходит на самом пороге и в узкой его окрестности, это пока неизвестно. Утверждение о бесконечной массе – не совсем строгий прогноз. Вокруг массивных тел увеличивается поле тяготения – их гравитация, которая искривляет, скручивает пространство, изменяет ритм времени, и формулы теории относительности, не принимающие во внимание этих эффектов, становятся неточными – в них нужно ввести какие-то поправки. Вот тут-то, предполагают некоторые физики, и открывается лазейка в «световом заборе». Во всяком случае, есть надежда на то, что такая лазейка существует.

Надежда эта основана на том, что теория тяготения (так называемая общая теория относительности) изучена еще весьма плохо – только при сравнительно слабых гравитационных полях. А вблизи тел огромной массы нас могут ожидать сюрпризы. Расчеты показывают, что пространство и время там как бы меняются ролями – пространство приобретает свойства времени, а время в чем-то становится похожим на пространство. При этом становится непонятным, как вычислять энергию, массу и даже саму скорость – в современной теории для этого просто нет необходимых формул, а те, которые имеются, дают противоречивые результаты. Создается впечатление, что этих физических величин, а вместе с тем, возможно, и непреодолимо высокого светового барьера уже просто не существует. Там какая-то другая физика и другие ограничения.

Сегодня известно несколько конкурирующих между собой вариантов теории тяготения, по-разному трактующих эти вопросы. К тому же следует учесть, что в микроскопически узкой окрестности светового барьера в игру вступают волновые, квантовые эффекты. Пространственные положения частиц становятся размытыми и те приобретают способность просачиваться сквозь твердые стенки. (Об этой их удивительной способности мы еще поговорим далее.) Вот она как раз и может создать туннель в сверхсветовой мир. Допустимо сказать, что в силу волновых свойств тело «прокалывает» бесконечно высокий энергетический барьер. «Не перелетает» и «не перешагивает» через него, а именно прокалывает.

Конечно, крупному макроскопическому телу, как и верблюду сквозь игольное ушко, трудно пробиться в сверхсветовой мир, но вот микрочастицы, возможно, способны это сделать.

Это очень трудные для понимания вопросы. Даже специалистам тут многое не ясно, поскольку теории, объединяющей гравитационные и квантовые процессы, еще не создано и пока здесь простор и раздолье для всякого рода гипотез. В физических журналах их много. Какие из них верные – покажет лишь будущее.

А вот что случается среди окружающих нас «обычных» тел.

Явление, которого и быть не должно!

Это – уже упоминавшаяся поразительная и совершенно непонятная с первого взгляда способность микрочастиц проходить сквозь монолитные стенки-барьеры. Все равно как если бы насыпанный в плотно закрытую стеклянную банку горох вдруг оказался снаружи – никаких дырочек, а горошины чудесным образом просочились!

Если попытаться описать такой процесс с помощью формул школьной физики, то получится, что энергия и скорость частицы внутри барьера – мнимые величины. Какую-то долю секунды, – шутят физики, – частица проводит в «потустороннем мире»! Очень странное явление...

Чтобы хоть немножко приподнять завесу тайны и в самых общих чертах понять причину «чуда», вспомним основную идею квантовой механики – всякое тело, и большое и маленькое, является не только материальным объектом, но и волной. Его положение размазано по длине этой волны, другими словами, тело с некоторой вероятностью может находиться в том или ином участке пространства. У больших, массивных тел длина квантовой волны очень мала по сравнению с их размерами, и их положения фиксируются практически однозначно, зато обладающие большой длиной волны микрочастички «болтаются» в пространстве, как поплавок в полосе прибоя.

Сталкиваясь с препятствием, экраном или стенкой, квантовая волна, подобно световой, отражается не точно на границе раздела, а успевает чуть-чуть проникнуть вглубь препятствия, и если его толщина невелика, то часть волны оказывается за ним. В случае света мы говорим о полупрозрачном экране, а в квантовой механике – о некоторой вероятности, с какой микрочастица проходит сквозь непрозрачный барьер, о туннельном переходе. Это похоже на то, как радиоволны проходят сквозь стены домов. Абсолютно непроницаемый световой барьер становится подобным мутному, но все же пропускающему чуточку света стеклу.

Впервые с таким явлением встретились семьдесят лет назад, когда обнаружили, что заключенные внутри атомных ядер альфа-частицы вдруг иногда, подобно тем горошинам из банки, оказываются снаружи. Природу квантового туннелирования объяснили в совместной работе русский физик Георгий Гамов и венгерский физик-теоретик Эдвард Теллер, впоследствии ставший «отцом» американской водородной бомбы. Сегодня этот эффект используется практически – в различных полупроводниковых приборах, на нем основаны некоторые типы особо точных электронных микроскопов. Тем не менее до сих пор продолжаются споры о том, сколько времени частица проводит внутри барьера и как правильно измерять это время на опыте.

Скорость света в веществе меньше, чем в вакууме. Образно говоря, выбирая себе дорогу среди атомов, отражаясь и рассеиваясь, частицы света – фотоны – вынуждены проходить больший путь, чем их собратья в вакууме и, следовательно, несколько отстают от них. Поэтому, казалось бы, можно быть уверенным в том, что луч, которому приходится преодолевать экран, должен запаздывать по сравнению с беспрепятственно движущимся светом. Однако эксперимент неожиданно показал совершенно другое – оказалось, что внутри экрана свет бежит не медленнее, а быстрее, чем в вакууме! Другими словами, наблюдалось «движение света быстрее света» – перенос потока фотонов со сверхсветовой скоростью. С точки зрения современной физики результат совершенно невозможный, приводящий, как уже подчеркивалось выше, к ужасающим противоречиям.

Можно было бы не поверить опытам, посчитав, что тут мы имеем дело с какой-то экспериментальной погрешностью. Поначалу большинство физиков именно так к ним и относились – такого не может быть потому, что этого не может быть никогда! Однако после того как наблюдения были подтверждены физиками нескольких лабораторий – в США, Германии, Австрии, Италии, – сомневаться в их достоверности не приходится.

Американские физики изучали рассеяние света очень тонкими экранами. Их измерения показали, что свет преодолевает экран со скоростью, которая в 1,7 раза больше вакуумной, считавшейся до сих пор максимально возможной. Как говорится, невероятно, но факт!

Еще большую скорость наблюдали немецкие физики в опытах с прохождением микроволнового электромагнитного излучения внутри волновода. Это устройство представляет собой металлическую трубу квадратного сечения. Если в ней имеется суженный участок, в сечении которого нельзя уложить целое число полуволн, то он отражает приходящую к нему радиоволну подобно зеркалу. Пройти сквозь него удается лишь очень небольшому числу волн. Этот участок волновода играет такую же роль, что и экран в оптических опытах американцев. Так вот, у немецких физиков микроволновое излучение преодолевало барьер двенадцатисантиметровой толщины со скоростью, в 4,7 раза превосходящей скорость света в вакууме!

Недавно таким образом со скоростью, вчетверо превосходящей световую, удалось передать не отдельный импульс, а целиком всю сороковую симфонию Моцарта.

И уж, казалось бы, совсем невозможный результат: когда в волноводе устроили два суженных участка-барьера, разделенных большим участком с нормальной толщиной, то оказалось, что время его прохождения электромагнитной волной равно нулю – все равно, что его не было! Как говорится в одной из статей, в принципе можно послать мгновенный сигнал с одного конца вселенной на другой. Такое не приходило в голову даже писателям-фантастам. Вывод, конечно, более чем странный, заставляющий подозревать, что что-то тут неладно...

Придется ли съесть шляпу?

Как же все это объяснить? Кризис принципа причинности (можно влиять на прошлое), катастрофа теории относительности? Именно так и пишут об этих экспериментах в некоторых журналах.

Следует, однако, быть осторожным. Прежде чем можно будет с уверенностью объявить о фиаско теории, которая вместе с квантовой механикой лежит в фундаменте современной физической науки, нужно внимательно изучить, а нельзя ли все же каким-то образом уладить «скандал» миром и объяснить удивительные факты, не выходя за рамки известных нам законов.

Когда я впервые узнал об опытах со сверхсветовым туннелированием, мне показались приемлемыми два объяснения. Прежде всего следует принять во внимание, что запирание волны в волноводе и отражение ее экраном в опытах американских физиков – это результат сложных процессов рассеяния и интерференции волны на частицах вещества экрана и стенок волновода. При этом образуются вторичные волны, которые, накладываясь на нее, «гасят» приходящую волну внутри экрана и в сужении волновода. Понятно, что эти процессы совершаются не мгновенно, а в течение некоторого времени, поэтому передняя часть приходящего волнового импульса еще не успевает почувствовать на себе наложения гасящих волн и проскакивает сквозь препятствие практически не изменяясь, зато вся следующая часть волны гасится на его границе. И вот тут мы подходим к самому главному.

Детектор зафиксирует приход волнового импульса в тот момент, когда почувствует максимум его фронтальной интенсивности, а у прошедшего сквозь экран импульса он сдвинут в сторону детектора (ведь задняя-то его часть обрезана – погашена вторичными процессами!). В результате этот волновой импульс будет зафиксирован раньше импульса-близнеца, который шел к своему детектору без всяких препятствий. Со стороны это выглядит так, как будто препятствие – экран или сужение волновода – ускоряет, подталкивает волновой импульс. Правда, интенсивность его при этом, конечно, значительно снижается – ведь проходит только его фронтальная часть. (Поэтому, чтобы передать сигнал через «всю вселенную», о чем говорилось выше, потребовался бы импульс фантастически огромной интенсивности!)

Если не принять во внимание «выедания» задней части импульса, то мы просто неправильно измерим его скорость – подобно тому, как если бы сравнивали скорости двух бегунов, просто деля пробегаемое ими расстояние на время и забыв при этом, что один из них бежит честно, от линии старта, а другой – от дерева, на десяток метров ближе к финишу. Судью, который забудет об этом обстоятельстве, заведомо отправят «на мыло».

Сдвиг времени при прохождении экрана можно объяснить еще и тем, что любой импульс представляет собой определенную суперпозицию, сумму в одних местах гасящих, в других усиливающих друг друга плоских волн. На современном языке – фотонов. Каждый из них, согласно квантовым законам, имеет вероятность оказаться за экраном. Выше уже говорилось об этом. Складываясь, они образуют новый импульс, но положение его, понятно, уже сдвинуто на толщину экрана. И опять близнецы-импульсы оказываются в неравном положении.

Подобные объяснения можно найти во многих журнальных статьях. По-видимому, это – первое, что приходит в голову каждому физику. Однако более внимательное изучение убеждает в несостоятельности таких простых объяснений. Прежде всего, им противоречит опыт с симфонией Моцарта. Поскольку всякая информация, в том числе и музыкальная, – это последовательность следующих друг за другом импульсов, то, продираясь сквозь препятствие, они должны были сильно исказиться – ведь от каждого из них остается лишь малая фронтальная часть. Почему же тогда музыкальные мелодии остаются узнаваемыми? Загадкой остается и опыт с мгновенным проскоком радиоволны через протяженную, длиной в десятки сантиметров, промежуточную часть волновода.

Странное явление... Возможно, его удастся объяснить с помощью квантовой механики, рассматривающей минимальную порцию света – фотон – как частицу, подчиняющуюся принципу неопределенности Гейзенберга. А этот принцип гласит, что нельзя одновременно измерить скорость и местоположение микрочастицы – измеряя одно, мы обязательно непоправимым образом «размазываем» другое и, следовательно, обычные способы вычисления скорости тут не применимы. В общем, вопрос пока не ясен, общепринятого объяснения сверхсветовым проскокам через, казалось бы, непреодолимые барьеры пока нет. Некоторые физики говорят о фундаментальном открытии, другие просто отмахиваются, считая все это «замурением», которое автоматически разъяснится в результате более детальных экспериментов...

Один из наших известных физиков, услышав о «сверхсветовой музыке», темпераментно воскликнул:

– Чудес не бывает, готов съесть свою шляпу – через пару месяцев выяснится, что все это совершеннейшая чепуха!

Недавно я снова его встретил.

– Вижу, из осторожности вы решили носить шляпу размером поменьше?

– Запутанное дело... Не верю, а доказать толково не могу. Как говорится, нос вытащу, хвост вязнет! Полтора десятка журнальных статей, и в каждой – своя точка зрения...

Как бы там ни было, хоронить теорию относительности еще рано. Сегодня все же больше шансов за то, что она выдержит испытание, и моему знакомому жевать свою шляпу не придется.

Сверхсветовые «пули», шаровая молния и звуковые импульсы-«торпеды»

Слово «дисперсия» не раз встречается в школьных учебниках. Но читатель, наверное, уже забыл, что оно означает...

В лунной дорожке бархатной средиземноморской ночи бежали, расплываясь вдали, ленивые волны. Паруса на гордых мачтах императорского фрегата устало шевелились, следуя порывам легкого ветра.

– Взгляните, сир, острые гребни волн постепенно расплываются и тают! – рука Фурье в легком батисте указала за борт. – Согласно моей теории, каждый волновой всплеск – это наложение нескольких волн разной длины и скорости. Одни уходят вперед, другие отстают, и всплеск расплывается, затухает. Это – дисперсия, зависимость скорости волн от их длины.

Наполеон, скрестив руки на груди, внимательно слушал. Он покровительствовал ученым, недавно сам был избран в академики, и теперь, возглавляя устремившийся к нильским берегам французский флот, считал своим долгом принимать участие в беседах и диспутах знаменитых ученых, которых он пригласил в обещавший стать победоносным поход.

– Поэтому и звук от удара в барабан быстро глохнет? – суровый взгляд императора следил за убегающими всплесками волн.

– Именно так, сир. Собранные в сгусток звуковые волны постепенно рассеиваются. Дисперсия – всеобщий закон природы.

Так говорят и наши учебники физики. Однако это не совсем так. Еще восемьдесят лет назад, исследуя волновое уравнение, математики нашли решение, которое описывало импульсы, постепенно уменьшавшиеся по амплитуде (интенсивности), но сохранявшие при этом свою форму. Позднее было обнаружено еще несколько подобных презревших дисперсию решений. Тем не менее большинство физиков не придавали значения этим «математическим штучкам», о них не упоминается ни в одном учебнике. Интерес к этим аутсайдерам возник лет десять – пятнадцать назад в связи с попытками увеличить надежность звуковых и электромагнитных каналов связи. И вот тут, неожиданно для себя, математики установили, что описывающее волновые движения уравнение обладает целым семейством еще неисследованных решений, отвечающих устойчивым, недиспергирующим импульсам. Считалось, что это – детально и давным-давно изученная область, и вот на тебе!

Некоторые из новых решений обладают прямо-таки поразительными свойствами. Например, сохраняют свою форму лишь в некоторых точках вдоль направления движения, а в промежуточных – могут расплываться до огромных размеров. Попробуй поймать посланное таким образом сообщение, если заранее не знаешь этих точек! Свойства некоторых решений уравнений для электромагнитного поля наводят на мысль, что шаровая молния, возможно, – одно из таких недиспергирующих образований. Разрушают ее какие-то побочные эффекты.

Если позволить себе пофантазировать, то с помощью недиспергирующих импульсов можно без всяких проводов перекачивать сгустки энергии, испускать мощные «звуковые торпеды», когда оглушающий звуковой импульс движется вдоль узкого канала при полной тишине в окружающем пространстве, выстреливать обладающие огромной энергией «световые пули»... И вот тут мы опять сталкиваемся с проблемой сверхсветовых скоростей.

Возврат к тахионам?

Дело в том, что устойчивые, нерасползающиеся решения электромагнитных уравнений существуют не только для световой, но и для любых сверхсветовых скоростей. А если уравнение имеет решение, то последнее должно что-то описывать. Физики давно убедились в том, что имеет право на существование все, что не противоречит известным законам. Так неужели при каких-то условиях можно действительно стрелять сверхсветовыми пулями?

Наверное, все же – нет, ведь, как уже не раз говорилось выше, в этом случае можно было бы «обстрелять» прошлое, например, Наполеона на Бородинском поле, и изменить уже установившийся ход истории... Правда, подобные опасения целиком основаны на теории относительности, которая как раз и может нарушаться в новых явлениях. Некоторый, хотя и весьма небольшой шанс для этого все же есть... Помочь устранить сомнения может лишь эксперимент.

Но если тахионов – сверхсветовых частиц – не бывает, то что же описывают тогда сверхсветовые решения? Как ни странно, но именно сверхсветовые процессы, которые постоянно... происходят вокруг нас!

Скорость света – предел лишь для материальных тел, а вот солнечный зайчик, который, наверное, каждый из нас пускал зеркальцем в детстве, может передвигаться с любой скоростью, даже с бесконечной. Представьте себе, что вы «мазнули» световым пятном по стене соседнего дома. От зеркальца в вашей руке к стене бежит поток материальных частиц фотонов, там они отражаются обратно и попадают в ваш глаз. Весь процесс протекает со скоростью света. Вот зеркальце чуть-чуть поворачивается и процесс «туда-обратно» повторяется, но уже на другом участке стены. При этом по самой стене, от одного ее участка к другому, ничего не перетекает, никакой сверхсветовой информации с помощью светового зайчика передать нельзя. Светящиеся точки стены связаны между собой не непосредственно, а через зеркальце. Скорость бегущего по стене светового зайчика определяется лишь тем, насколько быстро поворачивается это зеркальце.

Со сверхсветовыми скоростями встречаются астрономы при наблюдении далеких объектов. Если судить по их изображениям в радиотелескопах, то некоторые из этих массивных тел тоже движутся быстрее света. Когда это явление было обнаружено впервые, оно было сенсацией. Я помню шумные споры сторонников и противников теории относительности. В руках последних был, казалось бы, неопровержимый аргумент – прямое экспериментальное измерение сверхсветовой скорости. Однако довольно скоро выяснилось, что удивительное явление опять-таки сродни солнечному зайчику и его сверхсветовое движение всего лишь – оптическая иллюзия.

А вот внутри вещества, в средах, и в самом деле возможны не только «зайчики», но и настоящие сверхсветовые процессы, переносящие информацию быстрее света Дело в том, что запрет на обгон света имеет силу лишь в пустоте, в вакууме. Внутри вещества скорость света снижается, иногда в несколько раз. В начале нашей статьи уже говорилось, что световым фотонам, образно говоря, приходится маневрировать среди множества встречающихся на их пути атомов, и некоторые быстрые частицы – например, легкие и подвижные электроны – могут сделать это быстрее и поэтому обгоняют световой луч. Такие явления уже давно наблюдаются на опыте и никаких чудес с изменением хода истории при этом, понятно, не возникает.

Недавно в экспериментах, выполненных американскими и бразильскими учеными, была запущена первая сверхзвуковая «торпеда». Как и предсказывала теория, она прошла значительное расстояние, сохраняя свою сигарообразную форму. Правда, ее скорость превышала «звуковую» всего лишь на 0,24 процента, но, как говорится, лиха беда – начало!

Как видим, в природе есть место для сверхзвуковых и сверхсветовых решений уравнений и без какого-либо нарушения теории относительности.

В последние годы, когда стало возможным издавать книги за свой счет, появилось немало брошюр и толстых монографий, авторы которых запросто толкуют о сверхсветовых скоростях, не зная, к каким чудовищным парадоксам это приводит. Современная физика – крепко сцементированная наука, и нельзя отбросить какой-либо из ее «краеугольных камней», не разрушив всего здания. Однако, как утверждается в одной из пьес Шекспира, на свете много есть такого, что и не снилось нашим мудрецам, и удивительные физические явления, в которых «свет бежит быстрее света», могут еще преподнести нам сюрпризы.